каменное литье

Формула изобретения

Каменное литье, включающее оксид кремния SiO₂, оксид алюминия Al₂O₃, оксид кальция CaO, оксид железа (II) FeO, оксид магния MgO, оксид железа (III) Fe ₂O₃, оксид титана TiO₂, оксид калия K₂O и/или оксид натрия Na₂O, оксид хрома (III) Cr₂O₃ и фторид кальция CaF₂ , отличающееся тем, что содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:

оксид кремния SiO2	43-45
оксид алюминия Al2 O3	15-16
оксид кальция CaO	9-17
оксид железа (II) FeO	5-8
оксид магния MgO	8-9
оксид железа (III) Fe2O 3	3-5
оксид титана TiO2	1-1,5
оксид калия K2O и/или оксид натрия Na2O	2,5-4
оксид хрома (III) Сr2О3	2-2,5
фторид кальция CaF2	1,5-2

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к искусственным плавленым силикатным материалам, в частности к составам каменного литья, и предназначено для изготовления пулезащитных броневых пластин (плит) бронежилетов и военной техники, совмещающих в себе функцию защиты от радиоактивного излучения и маскировку за счет поглощения ИК-излучения. Кроме оборонной отрасли, изобретение может быть использовано в строительной, горно-обогатительной и др. отраслях промышленности.

Пулезащитные броневые пластины, являющиеся вставными «жесткими» элементами многослойных бронепанелей, имеют бронежилеты, начиная с третьего класса защитной структуры бронеодежды, определяемого в соответствии с ГОСТ 50744-95 «Бронеодежда. Классификация и основные требования». Материал пулезащитных броневых пластин поглощает и рассеивает (диссипирует) энергию пуль стрелкового оружия.

Традиционно пулезащитные броневые пластины изготавливают из металлических материалов - высокопрочных углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе титана или алюминия. В настоящее время для этой цели используют керамические материалы. Такие важные свойства керамических материалов, как в 2-3 раза меньшая плотность по сравнению с металлическими материалами, высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) и сохранение прочности при нагреве, позволяют применять их для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов.

Наиболее высокие защитные свойства имеют ударопрочные керамические материалы на основе карбида бора B₄C, существенно снижающие массу броневой защиты, а также на основе диборида титана TiB₂, обладающие наибольшей твердостью и модулем упругости. Однако высокая стоимость технологий получения сдерживает их массовое применение для защиты от баллистических поражений. Сравнительно дешевый оксид алюминия Al₂O₃ считают наиболее перспективным для серийного производства броневой керамики на его основе, получаемой по традиционной технологии, для защиты живой силы.

Известен патент RU 2331038 (МПК F41H 5/04, F41H 1/02, опубл. 10.08.2008), посвященный конструкции броневого элемента для защитного жилета, где в качестве материала броневой плиты (пластины), поглощающего энергию удара пули, используют керамические композиции на основе оксида алюминия Al₂ O₃ и керамические материалы, армированные керамическими волокнами из Al₂O₃, Al₂O ₃·2SiO₂ или TiO₂. За счет использования простейших и композиционных материалов авторы патента RU 2331038 решают одну из поставленных задач - уменьшение в 1,7-2,5 раза весовых характеристик броневых плит.

Общими недостатками керамических материалов, получаемых с помощью традиционной технологии, включающей обработку исходного сырья - получение порошков, приготовление керамической массы смешением, формование изделий, сушку и спекание при высоких температурах, являются: наличие некоторой остаточной пористости, всегда сохраняющейся в материале; необходимость использования дефицитного дорогостоящего сырья и/или сложных и также дорогостоящих технологий и оборудования для достижения высоких плотности, прочности и др. показателей, что значительно удорожает получаемый керамический материал.

Недостаток каменного литья по патенту RU 1433939 состоит в наличии остаточной пористости 0,35-0,4%, что не позволяет использовать его в качестве материала пулезащитных броневых пластин бронежилетов.

Известно каменное литье с улучшенной термостойкостью, приведенное в патенте RU 2349557 (МПК C03C 3/00, опубл. 20.03.2009), содержащее компоненты при следующем соотношении, мас.%: SiO₂ 50,0-52,0; Al₂O₃ 4,0-5,0; Fe₂O₃ 10,5-11,9; FeO 0,4-1,0; CaO 3,1-4,5; MgO 9,0-11,0; TiO₂ 0,6-1,0; Na₂O 2,0-2,5; K₂O 3,5-4,0; F ₂ 4,2-4,3; ZrO₂ 2,8-3,5; B₂O ₃ 5,0-6,0.

Также известно каменное литье с улучшенной термостойкостью, приведенное в патенте RU 2341485 (МПК C04B 30/00, опубл. 20.12.2008), содержащее компоненты при следующем соотношении, мас.%: SiO₂ 47,5-52,5; Al ₂O₃ 12,0-16,0; Fe₂O₃ 6,0-9,0; FeO 0,5-1,0; CaO 6,0-8.0; MgO 12,0-16,0; Na₂O 0,5-1,0; K₂O 5,0-7,0.

Кроме того, известно каменное литье строительного назначения с улучшенной прочностью (патент RU 2303017, МПК C04B 32/00, опубл. 20.07.2007), включающее компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO₂ 50-54; Al ₂O₃ 2-4; Fe₂O₃ 2-4; CaO 16-20; MgO 4-6; K₂O 1,8-2,3; MnO 0,7-1,2; Cr₂ O₃ 1,5-2,5; NiO 6-10; ZrO₂ 3-7.

Общим недостатком указанных изобретений по патентам RU 2349557, RU 2341485 и RU 2303017 является то, что состав каждого из представленных материалов способствует улучшению лишь одного из свойств - либо термостойкости, либо прочности, в то время как для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов необходимо каменное литье, обладающее комплексом улучшенных свойств.

Наиболее близким аналогом по составу компонентов является стеклокристаллический плавленый материал, имеющий в качестве основной кристаллической фазы шпинели. Материал получен из различных отходов производства (в том числе золошлаковых), а также шахтных отходов и имеет следующий химический состав, мас.%: SiO₂ 38-62, Al₂ O₃ 14-32, Fe₂O₃ 2,5-10, MgO 6-24. TiO₂ 1-24, CaO 1-8, K₂O 0-2,5, Na ₂O 0-0,6, Cr₂O₃ 0-3. В состав шихты входит CaF₂, ZnO, ZrO₂, CeO₂ и другие дополнительные компоненты. Указанный материал предназначен для производства брони (баллистической защиты) (см. US 2010/0242715, кл. F41H 5/02, опубл.30.09.2010, всего 21 с., (I), см. с.8-9, табл.2, состав, абзац [0095], [0102]).

Недостатком известного материала является то, что он содержит в составе оксиды цинка, церия и циркония, которые являются редкими, и несет только одну функцию пулезащиты, не защищает от энергетического воздействия или локации.

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке материала - недорогого каменного литья, пригодного не только для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов, но и для изготовления защитных элементов, сочетающих пулестойкость со способностью рассеивания и поглощения радиационного и инфракрасного излучения.

Технический результат достигается тем, что каменное литье, включающее оксид кремния SiO₂, оксид алюминия Al₂O₃, оксид кальция CaO, оксид железа (II) FeO, оксид магния MgO, оксид железа (III) Fe₂O₃, оксид титана TiO ₂, оксид калия K₂O и/или оксид натрия Na ₂O, оксид хрома (III) Cr₂O₃ и фторид кальция CaF₂, содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:

оксид кремния SiO2	43-45
оксид алюминия Al2 O3	15-16
оксид кальция CaO	9-17
оксид железа (II) FeO	5-8
оксид магния MgO	8-9
оксид железа (III) Fe2O 3	3-5
оксид титана TiO2	1-1,5
оксид калия K2O и/или оксид натрия Na2O	2,5-4
оксид хрома (III) Cr2O3	2-2,5
фторид кальция CaF2	1,5-2

Более низкой стоимости заявляемого каменного литья достигают за счет применения менее дорогостоящей технологии получения каменного литья по сравнению с традиционными технологиями получения высокопрочных керамических материалов или металлических сплавов, а также за счет использования недефицитного комплексного природного сырья и оптимизации содержания дополнительно вводимых добавок.

Так, например, по данным Первоуральского завода горного оборудования приблизительная рыночная цена 1 тонны производимого им каменного литья составляет 13 тыс. рублей, в то время как цена наиболее распространенной алюмооксидной керамики - около 25 тыс. рублей (цены рассчитаны на основе средних экономических показателей производителей продукции).

Исходным сырьем для производства каменного литья служат основные и ультраосновные горные породы и/или зольно-шлаковые отходы техногенного происхождения (доменные шлаки, топливные золы и др.). В частности, исходным сырьем для изготовления заявляемого каменного литья служит горнблендит Качканарского месторождения Исовского района Свердловской области - горная порода основного состава, модифицированная введением дополнительных добавок плавикового шпата (содержащего фторид кальция CaF₂) и хромита (FeCr₂O₄ ).

Дополнительная добавка плавикового шпата CaF ₂ способствует снижению температуры плавления и вязкости расплава, увеличивая его жидкотекучесть, что улучшает литейные свойства расплава и повышает технологичность производства. Т.е. указанная добавка служит флюсом. Применение менее 1,5 мас.% плавикового шпата в совокупности с составом используемого горнблендита Качканарского месторождения недостаточно снижает вязкость расплава, что ухудшает его технологические свойства. Экспериментально установлено, что оптимальное количество дополнительно вводимого плавикового шпата CaF₂ составляет 1,5-2 мас.%.

Дополнительная добавка тугоплавкого хромита (FeCr₂O₄) обеспечивает дополнительные центры кристаллизации при застывании расплава и придает ему более равномерную и плотную структуру, повышая такие физико-механические свойства каменного литья, как твердость, прочность, диссипативность. Добавка хромита (FeCr ₂O₄) способствует ускорению процессов кристаллизации при охлаждении расплава. Экспериментально установлено, что оптимальное количество дополнительно вводимой добавки хромита (FeCr₂ O₄) составляет 2-2,5 мас.%. Данное количество добавки обеспечивает стимуляцию развития пироксеновой структуры материала, которая кристаллизуется с образованием диссипативных каналов, которые обеспечивают диссипацию не только кинетической энергии движения поражающего элемента, но и воздействия радиации и ИК-излучения. Введение менее 2 мас.% хромита (FeCr₂O₄ ) приводит к снижению физико-механических свойств получаемого каменного литья.

Поскольку для достижения необходимых результатов воздействия дополнительных добавок вполне достаточно не более 2 мас.% плавикового шпата CaF₂ и не более 2,5 мас.% хромита (FeCr₂O₄), то дальнейшее увеличение их содержания нецелесообразно, в том числе и из-за повышения стоимости получаемого каменного литья.

На фиг.1 показан спектр поглощения образца материала.

На фиг.2 - изображение микроструктуры образца с диссипативными каналами.

Технология получения каменного литья включает: расплавление предварительно подготовленной шихты из горных пород и/или отходов производства (шлаков) и соответствующих добавок к ним, последующую отливку расплава в формы, кристаллизацию изделий, отжиг и охлаждение.

Перед загрузкой в печь исходные сырьевые материалы измельчают, просеивают, дозируют в требуемых количествах и смешивают, получая шихту. Для плавки шихты применяют шахтные, ванные, вращающиеся и электрические печи. Наиболее распространены ванные печи. Расплав получают при температуре 1400 1500°C. При указанной температуре плавления происходит химическое взаимодействие компонентов шихты, образование силикатов и алюмосиликатов кальция, магния и железа. При непрерывной отливке изделий расплав поступает в копильники, в которых создают запас однородной массы с температурой 1180 1250°C. Охлаждение расплава перед разливкой в формы необходимо для снижения усадочных дефектов (трещин, раковин) и образования надлежащей структуры изделий. Далее расплав выливают в земляные, металлические или силикатные формы, подогретые до 600 700°C, и постепенно охлаждают. Постепенное понижение температуры благоприятствует выпадению кристаллической фазы из расплава. Затем сформованные изделия каменного литья помещают в туннельные, или камерные печи, или в специальные печи, где подвергают отжигу - выдерживают при температуре 800 900°C в течение определенного времени, и медленному охлаждению. Отжиг способствует снижению температурных напряжений, связанных с охлаждением и кристаллизацией, увеличению сопротивляемости получаемого каменного литья ударным нагрузкам.

Примеры практической реализации предлагаемого изобретения рассмотрены ниже.

В таблице 1 приведены экспериментальные составы № № 1-5 каменного литья с указанием оксидного содержания компонентов.

Таблица 1
Экспериментальные составы каменного литья
Номер состава	Оксидное содержание компонентов, мас.%
	SiO2	Al2O3	CaO	FeO	MgO	Fe2O3	TiO2	K2O, и/или Na2O	Cr2O 3	CaF2
№ 1	41	21	12	6	7	3,5	0,5	5	3,5	0,5
№ 2	43	15	17	5	8	3	1	4	2	2
№ 3	45	16	9	8	9	5	1,5	2,5	2,5	1,5
№ 4	48	10	9,5	8,5	9,5	5,5	2	1,5	3	2,5
№ 5	50	13	7	10	5	7	2,5	1	1,5	3

По указанным в таблице 1 рецептурным составам № № 1-5 изготовлены плитки (пластины) каменного литья размером 100×100×15 мм по приведенной ниже технологической схеме. Перед загрузкой в печь исходные сырьевые материалы - горнблендит Качканарского месторождения вместе с дополнительными добавками плавикового шпата CaF₂ и хромита (FeCr₂ O₄) - измельчают, просеивают, дозируют в необходимом соотношении и смешивают с получением шихты. Шихту загружают в электрическую печь и при температуре 1400 1500°C получают расплав, время обработки 1-2 ч. Затем расплав поступает в копильник для получения его однородной массы с температурой 1180 1250°C. Далее расплав разливают в плоские металлические формы размером 100×100×15 мм, подогретые до 600 700°C, и постепенно охлаждают. Затем пластины каменного литья помещают в муфельную печь и отжигают при температуре 800 900°C в течение 12-16 ч. После отжига каменное литье постепенно охлаждают.

Для полученного каменного литья (состав № 3) по используемым традиционно методикам определены следующие показатели физико-механических свойств: плотность 2,9 г/см ³, предел прочности при сжатии 450 МПа, предел прочности на изгиб 50 МПа, микротвердость 15 ГПа, ударная вязкость 2,5 кДж/м².

Изготовленные пластины каменного литья составов № № 1-5 размером 100×100×15 мм подвергли полигонным испытаниям в соответствии с требованиями ГОСТ P 50744-95 на пулестойкость - свойство элементов броневой защиты противостоять сквозному пробитию метаемыми элементами или их фрагментами. В таблице 2 приведен перечень использованных при этом регламентированных средств поражения, их характеристики и условия испытаний.

Таблица 2
Характеристики средств поражения и условия испытаний каменного литья составов № № 1-5 на пулестойкость
Характеристики средств поражения и условия испытаний	Средство поражения
	Пистолет Макарова (ПМ)	Автомат АК-74	Снайперская винтовка СВД (1)	Снайперская винтовка СВД (2)
Индекс патрона	9-мм пистолетный патрон 57-Н-181С с пулей Пст	5,45-мм патрон 7Н6 с пулей ПС	7,62-мм патрон 57-Н-323С с пулей ЛПС	7,62-мм патрон 7-БЗ-3 с пулей Б-32
Тип сердечника	Стальной	Стальной	Стальной	Специальный
Масса, г	5,9	3,4	9,6	10,4
Скорость, м/с	305-325	890-910	820-840	800-835
Дистанция, м	5	7	7	7

В таблице 3 приведены результаты испытаний изготовленных пластин каменного литья составов № № 1-5 на пулестойкость.

Таблица 3
Результаты испытаний каменного литья составов № № 1-5 на пулестойкость
Номер состава каменного литья	Средство поражения
	Пистолет Макарова (ПМ)	Автомат АК-74	Снайперская винтовка СВД (1)	Снайперская винтовка СВД (2)
№ 1	Пробитие*	Пробитие	Пробитие	Пробитие
№ 2	Нет пробития	Нет пробития	Нет пробития	Пробитие
№ 3	Нет пробития	Нет пробития	Нет пробития	Нет пробития
№ 4	Нет пробития	Нет пробития	Пробитие	Пробитие
№ 5	Нет пробития	Пробитие	Пробитие	Пробитие
* Пробитие - наличие сквозной трещины в броневой защите, а также выход фрагментов метаемого элемента или вторичных осколков за броневую защиту.

Из таблицы 3 видно, что наиболее успешно прошли испытания пластины каменного литья, изготовленные из состава № 3. Указанный материал по пулестойкости соответствует 6 классу защитной структуры бронеодежды, определяемому по баллистической таблице, приведенной в ГОСТ P 50744-95, в зависимости от применяемого средства поражения.

Каменное литье состава № 2 соответствует 5 классу защитной структуры бронеодежды, поскольку этот материал выдержал испытания при стрельбе пулями со стальными сердечниками - пробития пластин отсутствуют, однако пробитие зафиксировано при стрельбе из снайперской винтовки СВД (2) с применением пуль с термоупрочненным сердечником.

В общем случае результат испытания «нет пробития» означает, что при попадании пули в экспериментальные пластины предлагаемого каменного литья наблюдают их разрушение - в месте контакта пули и пластины происходит образование большого количества маленьких осколков. При этом продвижения пули или маленьких осколков дальше пластины нет, что свидетельствует о диссипации энергии пули пластиной каменного литья, т.е. пуля уже не обладает достаточной энергией, чтобы пробить пластину каменного литья и ранить мягкие ткани человека.

Дополнительные исследования и сопоставление данных о свойствах подобных материалов позволяют утверждать о стойкости материала в условиях радиационного излучения и способности к поглощению ИК-излучений спектра 400-1400 см^-1 (фиг.1).

Кроме того, исследованиями установлено, что свойства материала достигаются за счет образования без циркониевых шпинелей и пироксеновых минералов, которые в результате роста из кристаллитов позволяют обеспечить в материале систему диссипативных каналов (фиг.2).

Таким образом, результаты полигонных испытаний предлагаемого каменного литья составов № № 2 и 3 свидетельствуют о его соответствии требованиям ГОСТ P 50744-95, кроме того, разработанный материал обладает невысокой стоимостью за счет использования недорогих технологии, исходного сырья и оптимизации содержания добавок, т.е. разработанный материал пригоден для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов и военной техники, совмещающих в себе функцию защиты от радиоактивного излучения и маскировку за счет поглощения ИК-излучения.